目錄

前言

一、SPI通信協(xié)議

1.概述?

2.硬件電路

?3.移位示意圖

二、SPI時序

1.時序基本單元

2.完整時序波形

三、W25Q64存儲芯片

1.芯片簡介

?2.硬件電路&引腳定義

?3.芯片框圖

4.Flash操作注意事項

四、軟件SPI讀寫W25Q64

五、SPI通信外設(shè)

總結(jié)

前言

聲明：學(xué)習(xí)筆記來自江科大自化協(xié)B站教程，僅供學(xué)習(xí)交流??！

對于SPI通信的學(xué)習(xí)和I2C一樣，分為軟件模擬實現(xiàn)和硬件配置實現(xiàn)讀寫W25Q64 Flash存儲器！

SPI傳輸數(shù)據(jù)的速度更快，協(xié)議沒有嚴格規(guī)定最大傳輸速度，取決于芯片廠商需求；SPI的設(shè)計比較簡單粗暴，實現(xiàn)的功能沒有I2C多，比較簡單；SPI硬件開銷比較大，通信線的個數(shù)較多，且通信過程經(jīng)常有資源浪費的現(xiàn)象——“富家子弟，有錢任性”，只在乎任務(wù)快速完成！

一、SPI通信協(xié)議

1.概述

①SPI（Serial Peripheral Interface串行外設(shè)接口）是由Motorola公司開發(fā)的一種通用數(shù)據(jù)總線。

②四根通信線：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）。同步、全雙工

③支持掛載多設(shè)備（一主多從）。有幾個從機就有幾個SS線，指定從機十分方便，給對應(yīng)線觸發(fā)電平就行。從機上引腳常寫DO或DI，分別接主機的MISO和MOSI。

2.硬件電路

①所有SPI設(shè)備的SCK、MOSI、MISO分別連在一起；

②主機另外引出多條SS控制線，分別接到各從機的SS引腳。同一時刻只可選擇一個從機。

③輸出引腳配置為推挽輸出，輸入引腳配置為浮空或上拉輸入。推挽輸出高低電平均有很強的驅(qū)動能力，這將使得SPI引腳信號的下降沿非常迅速，上升沿也非常迅速（不像I2C那樣，下降沿迅速，上升沿緩慢），信號變化快，可達到更高傳輸速度（MHz級別）。I2C并不是不想使用這個推挽輸出，而是因為I2C要實現(xiàn)半雙工，經(jīng)常要切換輸入輸出，而且要實現(xiàn)多主機的時鐘同步和總線仲裁，這些功能都不允許I2C使用推挽輸出，要不然一不小心就會電源短路，他選擇了更多的功能自然就要放棄更強的性能。SPI也有個沖突點，如圖的MISO引腳，主機一個輸入接了從機三個輸出，如果三個從機都是始終時推挽輸出，勢必造成沖突，所以在SPI協(xié)議里有條規(guī)定：當(dāng)從機的SS引腳為高電平（未被選中時），這個從機的MISO引腳必須切換為高阻態(tài)（相當(dāng)于引腳斷開，不輸出任何電平），在從機SS為低電平時，MISO引腳才允許為推挽輸出。

?3.移位示意圖

移位示意圖是SPI硬件電路設(shè)計的核心

?主機和從機的移位寄存器都有一個時鐘輸入端（SCK箭頭），SPI一般都是高位先行，所以每來一個時鐘移位寄存器都會向左進行移位，主和從同理。移位寄存器的時鐘源是由主機提供，這里叫作波特率發(fā)生器，它產(chǎn)生的時鐘驅(qū)動主機的移位寄存器進行移位，同時也通過SCK引腳輸出到從機的移位寄存器。

電路工作流程：首先規(guī)定時鐘的上升沿，所有移位寄存器向左移動一位，移出去的位放到引腳上（通信線上，實際是輸出數(shù)據(jù)寄存器）；時鐘的下降沿，引腳上的位采樣輸入到移位寄存器的最低位。假設(shè)主機有個數(shù)據(jù)10101010要發(fā)送到從機，同時從機有個數(shù)據(jù)01010101要發(fā)送到主機...“轉(zhuǎn)圈圈”如圖，八個時鐘后就會實現(xiàn)。SPI收發(fā)都是基于字節(jié)交換，當(dāng)主機同時需要發(fā)送一個字節(jié)，且同時要接收一個字節(jié)時，就可執(zhí)行下字節(jié)交換的時序。如果只想發(fā)送不想接收？仍然采用交換字節(jié)的時序，發(fā)送與接收同時進行，只不過接收的數(shù)據(jù)（一般統(tǒng)一發(fā)0x00或0xFF）不看就行。

二、SPI時序

1.時序基本單元

①起始條件：SS從高電平切換為低電平。SS是從機選擇線，低電平有效，一旦選擇了從機通信就開始了。

②終止條件：SS從低電平切換為高電平。

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③交換一個字節(jié)

（模式0）

CPOL=0：空閑狀態(tài)時，SCK為低電平

CPHA=0：SCK第一個邊沿移入數(shù)據(jù)（奇數(shù)邊沿進行數(shù)據(jù)采樣），第二個邊沿移出數(shù)據(jù)。但數(shù)據(jù)總要先移出再移入，所以在SCK第一個邊沿之前，就要提前開始移動出數(shù)據(jù)了，如圖幾乎與SS下降沿開始信號同步，再SCK第一個上升沿之前。我們實操時按模式0！

（模式1）

CPOL=0：空閑狀態(tài)時，SCK為低電平

CPHA=0：SCK第一個邊沿移出數(shù)據(jù)，第二個邊沿移入數(shù)據(jù)（偶數(shù)邊沿進行數(shù)據(jù)采樣）。先移出數(shù)據(jù)，再移入數(shù)據(jù)，比較符合常理，實際應(yīng)用中模式1和模式0應(yīng)用最多！

（模式2）

CPOL=1：空閑狀態(tài)時，SCK為高電平

CPHA=0：SCK第一個邊沿移入數(shù)據(jù)（奇數(shù)邊沿進行數(shù)據(jù)采樣），第二個邊沿移出數(shù)據(jù)。

（模式3）

CPOL=1：空閑狀態(tài)時，SCK為高電平

CPHA=0：SCK第一個邊沿移出數(shù)據(jù)，第二個邊沿移入數(shù)據(jù)（偶數(shù)邊沿進行數(shù)據(jù)采樣）。

模式0與模式2對比：CPOL相反，空閑狀態(tài)電平不同，即SCK極性取反；剩下流程一致。

模式1與模式3對比：與上相同。

注意：CPHA表示時鐘相位，決定的是第一個時鐘采樣移入還是第二個時鐘采樣移入，并不是規(guī)定上升沿采樣還是下降沿采樣。

2.完整時序波形

當(dāng)然每個芯片對SPI時序字節(jié)流功能的定義不同，這里以實操芯片W25Q64的時序為例進行講解。SPI對字節(jié)流功能的規(guī)定不像I2C那樣，I2C的規(guī)定一般是有效數(shù)據(jù)流第一個字節(jié)是寄存器地址，之后依次是讀寫的數(shù)據(jù)，使用的讀寫寄存器模型；

而在SPI中，通常采用的是指令碼加讀寫數(shù)據(jù)的模型，過程就是SPI起始后，第一個交換發(fā)送給從機的數(shù)據(jù)，一般叫作指令碼，在從機中對應(yīng)會定義一個指令集，當(dāng)我們需要發(fā)送什么指令時，就可以在起始后第一個字節(jié)發(fā)送指令集里面的數(shù)據(jù)，這樣就能指導(dǎo)從機完成相應(yīng)功能了，不同的指令可以有不同的指令個數(shù)，有的指令只需要一個指令碼就可以完成，比如W25Q64的寫使能、寫失能等指令，而有的指令后面就需要再跟上要讀寫的數(shù)據(jù)，比如W25Q64的寫數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)等，寫數(shù)據(jù)指令后面就要跟上在哪里寫、要寫什么，讀數(shù)據(jù)同樣。

下述圖片可能不清，詳見江科大教程！

發(fā)送指令：向SS指定設(shè)備，發(fā)送指令（0x06）

?指定地址寫：向SS指定的設(shè)備，發(fā)送寫指令（0x02），隨后在指定地址（Address[23:0]）下，寫入指定數(shù)據(jù)（Data）

指定地址讀：向SS指定的設(shè)備，發(fā)送讀指令（0x03），隨后在指定地址（Address[23:0]）下，讀取從機數(shù)據(jù)（Data）

?除了以上這些，還有其他時序，不過大同小異：都是起始、交換、交換、交換...、停止，只需要關(guān)注下每個字節(jié)的功能定義，就能很方便地利用SPI控制設(shè)備了。?

三、W25Q64存儲芯片

1.芯片簡介

①W25Qxx系列是一種低成本、小型化、使用簡單的非易失性存儲器（掉電不丟失），常應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲、字庫存儲、固件程序存儲等場景。存儲器分為易失性存儲器和非易失性存儲器，前者包括SRAM、DRAM等，后者包括E2PROM、Flash等。

②存儲介質(zhì)：Nor Flash（閃存）。像STM32的程序存儲器、U盤、電腦里的固態(tài)硬盤等都是Flash閃存，閃存分為Nor Flash和Nand Flash。

③時鐘頻率：80MHz、160MHz（Dual SPI雙重SPI模式等效頻率）、320MHz（Quad SPI四重）。雙重和四重SPI了解下，本節(jié)未用！就是一個時鐘發(fā)送或接收2位/4位，有點并行的意思！

④存儲容量（24位地址）：

• W25Q40：? ? 4Mbit/512KByte（bit除以8換算為Byte）
• W25Q80：? ? 8Mbit/1MByte
• W25Q16：? ? 16Mbit/2MByte
• W25Q32：? ? 32Mbit/4MByte
• W25Q64：? ? 64Mbit/8MByte
• W25Q128：? ? 128Mbit/16MByte
• W25Q256：? ? 256Mbit/32MByte

?2.硬件電路&引腳定義

“/”和“—”的意思一樣，低電平有效！

WP（Write Protect）寫保護，低電平有效。配合內(nèi)部的寄存器配置，可以實現(xiàn)硬件的寫保護，低電平時保護住不讓寫。

HOLD數(shù)據(jù)保持，低電平有效，用的不多。如果在進行正常讀寫時，突然產(chǎn)生中斷，然后想用SPI通信線去操控其他器件，這時如果把CS置回高電平，那時序就終止了，但又想在不終止總線時操作其他器件，這就可以HOLD引腳置低電平，這樣芯片就HOLD住了——芯片釋放總線，但是芯片時序也不會終止，它會記住當(dāng)前的狀態(tài)，當(dāng)操作完其他器件時，可以再把HOLD置回高電平，然后繼續(xù)HOLD之前的時序。

引腳圖中括號里的IO0~IO3與上邊說的雙重和四重SPI有關(guān)，這里先不管！

電路原理圖C1是電源濾波，R1和D1是一個電源指示燈，HOLD和WP都是低電平有效接到VC！

?3.芯片框圖

Flash空間劃分：

?一般一塊存儲空間可以先劃分為若干的塊block，其中每一塊再劃分為若干的扇區(qū)Sector，每個扇區(qū)內(nèi)部又可分成很多頁Page。

上圖右側(cè)大矩形空間里是所有存儲器，存儲器以字節(jié)為單位，每個字節(jié)都有唯一的地址，W25Q64的地址寬度是24位（3個字節(jié)），最大尋址范圍是16MB，大矩形地址范圍是000000h~7FFFFFh（8MB），地址空間只用了一半。以64KB為一個基本單元分成了128個Block，注意觀察每一個Block里的地址規(guī)律xx0000~xxFFFFh。

左上角矩形就是還要再對每一塊進行更細的劃分，分為多個扇區(qū)Sector，如圖虛線指向了各個Block，意思是每一塊里面都是這個樣子。在一個Block里再以4KB為一個單元切分成16個Sector，每一個Sector里地址變化規(guī)律xxx000~xxxFFFh。

Sector里繼續(xù)分成若干Page，一個Page大小為256個字節(jié)，即一個Sector可分為16個Page，每一個Page里地址變化規(guī)律xxxx00~xxxxFFh。即頁（Page）內(nèi)的地址變化僅限于最低一個字節(jié)！

控制邏輯&狀態(tài)寄存器：

左下角是SPI控制邏輯，即芯片內(nèi)部進行地址鎖存、數(shù)據(jù)讀寫等操作都可由其自動完成，就像整個芯片的管理員，需要操作什么告訴它就行了，它會自動操作內(nèi)部電路完成功能！左側(cè)為通信引腳。

控制上面有個狀態(tài)寄存器（Status Register），芯片是否處于忙狀態(tài)、是否寫使能、是否寫保護都可在此體現(xiàn)！

頁緩存區(qū)：

256字節(jié)頁緩存區(qū)（256-Byte Page Buffer），其實是一個256字節(jié)的RAM存儲器，........。數(shù)據(jù)讀寫就是通過這個RAM緩存區(qū)進行的，寫入數(shù)據(jù)會先放在RAM緩存區(qū)里，然后時序結(jié)束后芯片再將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)復(fù)制到對應(yīng)的Flash里，進行永久保存！為什么要這樣？因為SPI寫入的頻率是非常高的，而Flash的寫入由于需要掉電不丟失（留下刻骨銘心的變化）速度比較慢，而緩存區(qū)RAM速度非常快。但是因為緩存區(qū)只有256個字節(jié)，所以寫入的一個時序，連續(xù)寫入的數(shù)據(jù)量不能超過256字節(jié)。由于數(shù)據(jù)從緩存區(qū)轉(zhuǎn)移到Flah存儲器里需要一定時間，所以在寫入時序結(jié)束后，芯片會進入一段忙的狀態(tài)，如圖有條線通往狀態(tài)寄存器（Status Register），給其BUSY位置1，這時芯片不會響應(yīng)新的讀寫時序。

其他：

寫控制邏輯（Write Control Logic），和WP引腳相連，配合其完成硬件寫保護。高壓生成器（High Voltage Generators）是配合Flash進行編程的，要想實現(xiàn)Flash掉電不丟失就要在存儲器里產(chǎn)生”刻骨銘心“的變化，一般需要高電壓刺激。頁地址鎖存/計數(shù)器（Page Address Latch/Counter）和字節(jié)地址鎖存/計數(shù)器（Byte?Address Latch/Counter），這兩個是用來指定地址的：STM32通過SPI總共發(fā)過來3個字節(jié)的地址，因為1個Page是256字節(jié)，所以一頁內(nèi)的字節(jié)地址取決于最低一個字節(jié)。發(fā)過來的高位2個字節(jié)（前2個）對應(yīng)的就是頁地址，它們會進入Page Address Latch/Counter，最后一個字節(jié)進入Byte?Address Latch/Counter。

然后頁地址通過寫保護和行解碼來選擇我們要操作哪一頁，字節(jié)地址通過列解碼和256字節(jié)緩存來進行指定地址的讀寫操作。此地址指針在讀寫之后可以自動+1，這樣就很容易實現(xiàn)從指定地址開始，連續(xù)讀寫多個字節(jié)的目的了。

4.Flash操作注意事項

為了保持Flash掉電不丟失、存儲容量大、成本足夠低的特性，它會在操作的便捷性等方面做出一些妥協(xié)和讓步，所以有很多注意事項。RAM則不同，指哪寫哪，想寫多少就多少，且可覆蓋寫入，后續(xù)來的數(shù)據(jù)可直接覆蓋原來的數(shù)據(jù)。

①寫入操作時：

• 寫入操作前必須先進行寫使能
• 每個數(shù)據(jù)位只能由1改寫為0，不能由0改寫為1
• 寫入數(shù)據(jù)前必須先擦除，擦除后所有數(shù)據(jù)位變?yōu)?。發(fā)出擦除指令后，芯片也會進入忙狀態(tài)。
• 擦除必須按最小擦除單元進行?？蛇x擇整片芯片擦除、塊擦除、扇區(qū)擦除，沒有再小了。
• 連續(xù)寫入多個字節(jié)時，最多寫入一頁的數(shù)據(jù)，超過頁尾位置的數(shù)據(jù)會回到頁首覆蓋寫入。在進行多字節(jié)寫入時，地址范圍不可跨越頁的邊沿，否則會地址錯亂。
• 寫入操作結(jié)束后，芯片會進入忙狀態(tài)，不響應(yīng)新的讀寫操作

?②讀取操作時：

• 直接調(diào)用讀取時序，無需使能（1），無需額外操作（234），沒有頁的限制（5），讀取操作結(jié)束后不會進入忙狀態(tài)，但不能在忙狀態(tài)下讀取。

續(xù)下篇（實操）：

四、軟件SPI讀寫W25Q64

五、SPI通信外設(shè)

六、硬件SPI讀寫W25Q64

往期精彩：
STM32定時器輸入捕獲（IC）
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